« La solidification rapide : relation Elaboration – Microstructure et Propriétés d'un alliage » RESUME Si les propriétés intrinsèques des matériaux dépendent de la force des liaisons chimiques, qui ne peuvent être modifiées, il est bien connu que leurs propriétés extrinsèques dépendent de la microstructure. Les métallurgistes disposent de moyens techniques pour contrôler relativement bien cette microstructure et aussi faire en sorte que les propriétés associées correspondent aux besoins du cahier des charges de l'application. Classiquement, partant du lingot élaboré par fusion, des traitements thermomécaniques plus ou moins complexes engendrent la microstructure. Mais il est bien clair que les possibilités d'évolution de la microstructure dépendent dramatiquement de l'état initial de l'alliage. C'est ici qu'interviennent les techniques basées sur la solidification rapide. Elles vont engendrer des microstructures initiales pouvant être très différentes de celles qui sont conventionnelles, et qui pourront, par traitements thermomécaniques, aboutir à des microstructures finales également très différentes. Les méthodes de solidification rapide d'alliages métalliques ou céramiques ont pour but principal d'étendre ou de modifier les limites des domaines d'équilibre thermodynamique, ou d'obtenir de nouvelles structures atomiques, ce qui n'est généralement pas accessible par des méthodes dites conventionnelles de solidification. Les produits élaborés se caractérisent par exemple par réduction de taille de grains, par la précipitation d'une phase secondaire plus fine et homogène Ces procédés permettent dans le même temps d'obtenir les matériaux directement à partir de l'état fondu, sous la forme de produits minces finis ou dans un état intermédiaire, tels que des rubans (10 à 80 μm) par « planar flow casting PFC » (flot planaire), des tôles fines (de 200 μm à 3 mm d'épaisseur (en production industrielle) par « twin roll casting TRC» (coulée entre rouleaux) ou encore mais plus rarement des fils (100 à 200 μm de diamètre) par « In rotating water melt spinning INROWASP». J'ai dans ce manuscript décrit les méthodes et techniques d'élaboration que j'utilise en développant quelques aspects thermodynamiques et cinétiques tout en révélant l'essentiel des informations techniques. Un ensemble d'exemples tirés de mes travaux en collaboration et dans le cadre de projets de recherche internes au laboratoire, nationaux et internationaux illustrent ces techniques, notamment les verres métalliques massifs, les quasicristaux, les alliages à magnétorésistance géante, et particulièrement les alliages à mémoire de forme. Les relations entre d'une part la méthode de préparation, qui inclut la technique de fusion, de solidification, les traitements associés thermo-mécaniques, et d'autre part les caractéristiques structurales, microstructurales ainsi que les propriétés mécaniques et fonctionnelles ont été mises en évidence. Le choix de méthodes de production par solidification rapide, comme je l'ai écrit, peut dans certaines conditions autoriser l'obtention d'une phase qu'on ne peut pas obtenir par refroidissement classique (< 103 KS-1) ou, par l'abaissement de la taille de grains, optimiser certaines caractéristiques mécaniques. Néanmoins comme le montrent certains résultats mitigés sur les alliages à mémoire de forme, ces méthodes ne sont en aucun cas une panacée aux problèmes rencontrés comme le manque de ductilité à température ambiante. Le problème de la mise en forme à froid qu'on rencontre dans nombres d'alliages intermétalliques ou les verres métalliques ne sont pas ou seulement partiellement résolus par ces procédés. Mais la production en une seule ou un nombre limité d'étapes d'objets finis ou semi-finis reste un élément économique appréciable de ces méthodes. Les phases quasicristallines stables thermodynamiquement ainsi que les verres métalliques massifs ne nécessitent pas des vitesses de refroidissement supérieures à 103 KS-1 et peuvent être obtenus par des méthodes de préparation ce qui nécessite certaines précautions (c.a.d. par exemple sans contamination chimique) mais à vitesse de refroidissement classique. Néanmoins dans ce cas il a été démontré que seule une méthode de solidification rapide (telle que le melt spinning ou l'atomisation gazeuse) permet d'une part d'obtenir la précision compositionnelle requise et d'autre part d'atteindre, après traitement thermique, une qualité structurale de la phase optimale (cas des quasicristaux). En ce qui concerne les verres métalliques ces techniques nous permettent d'étudier plus facilement la capacité à l'amorphisation, la formulation et la déformation à froid de ces alliages : par exemple les essais de nanoindentations sur les rubans ou les tôles hypertrempées qui nous autorisent à remonter aux mécanismes de déformation des alliages massifs. L'obtention d'une précipitation de dispersoïdes nanométriques dans la matrice amorphe (VMM) ou la matrice paramagnétique des alliages magnétorésistifs à l'étude, n'est possible qu'en utilisant ces techniques.

Les matériaux à haute résistance, notamment les aciers et les alliages à base d'aluminium et de titane, sont largement utilisés dans l'aéronautique comme matériaux structuraux et de protection. Dans le cas de surcharges accidentelles impliquant des vitesses de chargement élevées et des conditions quasi adiabatiques, ces matériaux sont souvent sensibles au cisaillement adiabatique par bande. Les bandes de cisaillement adiabatique (BCA) sont des zones étroites de cisaillement intense qui résultent d'une instabilité thermomécanique et qui conduisent à une rupture prématurée du matériau. À un stade avancé du processus de localisation, des micro-cavités (MCs) ont été observées dans les BCAs. Ces MCs peuvent coalescer pour former des fissures et mener à la rupture de la structure. Ainsi, les mécanismes couplés d'ASB+MC agissent comme un précurseur à la rupture catastrophique et il est par conséquent important de modéliser numériquement leurs effets dans des structures soumises à des sollicitations à haute vitesse. Les BCAs apparaissent aussi dans certaines applications industrielles, telles que l'usinage à grande vitesse, où elles favorisent le festonnement du copeau. Un postulat de grande échelle est appliqué ici où la longueur caractéristique du volume élémentaire représentatif (VER) est plus grande que la largeur de bande, et non l'inverse comme fait communément. L'objectif du travail présenté est d'enrichir un modèle décrivant les effets des BCAs en prenant en compte les conséquences de l'endommagement par MC dans le processus progressif de la rupture. Les effets des BCAs et des MCs sur la réponse du VER sont doubles : cinématique, à savoir une déviation progressif de l'écoulement plastique dans le plan de la bande décrite via des gradients de vitesse induits par les BCAs et par les MCs; et matériel, à savoir une dégradation anisotrope des modules élastiques et plastiques décrite via des variables tensorielles d'ordre deux de détérioration induite par les BCAs et par les MCs. L'amorçage des BCAs est déterminé à partir d'une analyse linéaire de stabilité et celui des MCs par une valeur critique du taux de restitution d'énergie local. L'intérêt de ce modèle avancé est démontré par comparaison avec un modèle orienté application du type (1-D) où D est une variable de détérioration isotrope. Le modèle enrichi ASB+MC est implémenté comme matériau utilisateur dans le code de calculs commercial par éléments finis LS-DYNA. [...] / High strength metallic materials, notably steel and light-weight titanium and aluminium alloys, are widely used in aeronautical and other structures. In case of accidental overload involving high strain rates and quasi adiabatic conditions, these materials are often susceptible to adiabatic shear banding. The adiabatic shear bands (ASB) are intense shear localisation zones resulting from thermomechanical instability and provoking premature material failure. At an advanced stage of the localisation process, the ASBs have been shown to contain micro-voids (MV) which may coalesce to form cracks and ultimately lead to the fracture of the structure. Thus the coupled mechanisms of ASB+MV act as a precursor to catastrophic failure and it is consequently crucial to numerically model their formation and effects when dealing with structures submitted to high loading rates. The ASBs are also observed in industrial applications such as high speed machining where their formation favours the chip serration. A large scale postulate is used herein to obtain a global insight into the structural material response. The shear band cluster is indeed contained/ embedded within the representative volume element (RVE), and not the opposite as usually considered. The objective here is to enrich a model describing the ASB effects by taking into account the consequences of the micro-voiding within the progressive failure process. The effects of ASB and MV initiation and evolution on the RVE (material point) response are double: kinematic, namely a progressive deviation of the plastic flow in the band plane described via specific ASB and MV induced velocity gradients; and material, namely a progressive anisotropic degradation of the elastic and plastic moduli described via ASB and MV induced second order tensor deterioration variables. The ASB onset criterion is derived from the linear perturbation analysis and the MV is activated using a critical value for the local energy release rate. The interest of this advanced constitutive model is emphasised by comparison with an application oriented (1-D) model where D is a scalar damage variable. [...]